Il deuterio, il fratello pesante dell'idrogeno, è considerato un materiale promettente per il futuro a causa della sua vasta gamma di applicazioni:nella scienza, per la generazione di energia o nella produzione di prodotti farmaceutici. Tuttavia, l'estrazione del deuterio dalla sua miscela di isotopi naturali è stata finora complessa e costosa. Con un materiale poroso sviluppato presso la Technische Universität Dresden, ciò potrebbe presto essere fatto in modo più efficiente ed economico. Il nuovo metodo è stato ora pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances .

L'astronave Enterprise ha volato attraverso la galassia usando il deuterio come carburante. Anche se si trattava di fantascienza degli anni '60 e '70, la ricerca sulla reale applicazione dell'isotopo dell'idrogeno per la generazione di energia continua ancora oggi. La sfida principale qui è l'estrazione dell'isotopo. Il deuterio (chem. abbrev. D, idrogeno "pesante") è uno dei tre isotopi naturali dell'idrogeno, insieme al protio (H, idrogeno "normale") e al trizio (T, idrogeno "superpesante"). Sia il deuterio che il protio sono isotopi stabili dell'idrogeno. L'acqua ordinaria e l'acqua pesante a base di deuterio sono ugualmente stabili. Il trizio (T) è estremamente promettente dal punto di vista tecnico, ma non è privo di problemi di sicurezza a causa della sua radioattività.

Il deuterio viene estratto dall'acqua pesante, cioè l'acqua contenente deuterio, che è contenuto allo 0,15 per mille nelle risorse idriche naturali della nostra terra. Per fare ciò, l'acqua pesante viene prima isolata mediante processi chimici e fisici e quindi viene prodotto il gas deuterio. Questi processi sono così complessi e ad alta intensità energetica che un grammo di deuterio è più costoso di un grammo d'oro, anche se la sua presenza naturale è molte volte superiore.

Ma la domanda di deuterio puro continua a crescere, perché le sue proprietà fisiche uniche fanno sì che le sue potenziali applicazioni siano tutt'altro che esaurite:se usato in medicina, il deuterio ha già dimostrato di avere un effetto di prolungamento della vita, anche se inizialmente solo per il principio attivo si. I farmaci contenenti deuterio possono essere dosati più bassi, in modo da ridurre anche i loro effetti collaterali. Nei reattori nucleari, il deuterio svolge un ruolo importante come moderatore. Inoltre, una miscela di deuterio e trizio o ³ L'elio dovrebbe essere utilizzato come combustibile nei futuri reattori a fusione. Altri campi di applicazione includono medicina, scienze biologiche, analisi e nuovi display TV.

In una collaborazione interdisciplinare, i gruppi del Prof. Stefan Kaskel e del Prof. Thomas Heine della TU Dresden, insieme al Dr. Michael Hirscher dell'MPI for Intelligent Systems Stuttgart, hanno ora sviluppato un nuovo meccanismo di separazione per gli isotopi dell'idrogeno basato sul flessibile struttura metallo-organica "DUT-8" sviluppata presso la TU Dresda. "Il nostro materiale consente la separazione del deuterio gassoso dall'idrogeno. L'esclusiva struttura metallo-organica DUT-8 è altamente flessibile e può adattare dinamicamente la dimensione dei pori. Ma questa risposta strutturale è risultata altamente selettiva:solo il deuterio può aprire i pori mentre l'idrogeno lascia il quadro chiuso. Questo riconoscimento altamente selettivo porta a un'elevata selettività di separazione combinata con un elevato assorbimento di deuterio ", spiega Stefan Kaskel, professore di Chimica inorganica alla TU Dresden. Con il suo gruppo, è specializzato in nuovi materiali funzionali nanostrutturati e porosi per l'accumulo e la conversione di energia e ha già sviluppato diversi materiali brevettati.

Il suo materiale DUT-8, pubblicato nel 2012, inizialmente non mostrava alcun assorbimento di idrogeno, né ad alta pressione né a temperature molto basse. "Durante le nostre misurazioni all'MPI di Stoccarda, abbiamo osservato per la prima volta un'apertura della struttura del DUT-8 sotto atmosfera di deuterio a temperature molto basse. Successivamente, siamo anche riusciti a separare sperimentalmente miscele di isotopi di idrogeno, con il materiale che fungeva da una sorta di "setaccio quantico" flessibile e quindi estremamente efficiente", spiega il dott. Michael Hirscher, che da diversi anni ricerca meccanismi di separazione efficienti per gli isotopi dell'idrogeno presso l'MPI for Intelligent Systems.

I calcoli dei primi principi in combinazione con la termodinamica statistica predicono l'apertura selettiva degli isotopi e li razionalizzano con pronunciati effetti quantistici nucleari. Tuttavia, esistono altri cosiddetti isotopologhi (molecole degli stessi elementi ma differenti isotopi) dell'idrogeno, ovvero HD, HT, DT e T₂ , che devono essere considerati nella separazione, e quelli contenenti T sono radioattivi. Nel gruppo di Thomas Heine, Chair of Theoretical Chemistry presso TU Dresden, è stato simulato il comportamento di questi isotopologhi. "In questo lavoro congiunto, siamo riusciti a sostituire esperimenti problematici relativi alla sicurezza con materiale radioattivo con simulazioni al computer convalidate e quindi a fare previsioni per potenziali applicazioni di questo effetto di apertura isotopo-dipendente del DUT-8", spiega il professor Heine. Le sue simulazioni mostrano che DUT-8 si apre solo per isotopologie senza isotopi H leggeri. Per la MH, queste previsioni sono già state confermate sperimentalmente dal gruppo del Dr. Hirscher. + Esplora ulteriormente

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